登CEJ！福州大学3D打印TPMS结构搞定油水分离难题

石油化工、机械润滑、装备液压系统以及工业废水处理中会产生大量含油废水和油水混合物。在复杂流动、剪切以及界面稳定作用下，油水体系还可能形成尺寸更小、稳定性更高的分散液滴，使传统重力分离和常规过滤方法面临效率下降、压降增大以及易堵塞等问题。因此，如何在保证高通量输运的同时，实现对油水界面的有效调控，仍是高性能油水分离材料设计中的重要挑战。

近年来，增材制造为多孔分离材料提供了新的结构设计自由度。与传统随机多孔材料不同，3D打印可以对孔径、孔喉、孔隙率以及内部拓扑结构进行数字化调控，使多孔材料由传统的“经验制备"逐步转向“结构可设计"。其中，三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface，TPMS）具有连续曲率、高连通性和三维贯通流道，在流体输运、界面作用以及力学承载方面展现出独特优势。

近期，福州大学任志英教授研究团队在国际期刊《Chemical Engineering Journal》在线发表题为“Parameterized design of 3D-printed TPMS porous structures for oil-water separation: Structure-interface-flow coupling" 的研究论文。研究通过参数化设计、高精度3D打印、超疏水界面构筑以及CFD数值模拟，系统研究了多孔结构拓扑、界面润湿性与多相输运行为之间的耦合关系，并提出面向油水分离的“结构-界面-输运"协同设计思路。论文比较了蜂窝、BCC+FCC以及TPMS G-sheet三类典型结构，并最终确定G-sheet结构作为后续优化与油水分离研究的核心构型（图1）。

• 高精度3D打印实现TPMS结构可控制造

研究采用摩方精密microArch® S240A（精度：10 μm）高精度3D打印设备制备参数化多孔框架，打印层厚为10 μm。复杂的G-sheet TPMS结构具有连续曲面和三维贯通孔道，对加工精度提出了较高要求。SEM结果表明，打印结构能够较好保持设计模型的几何特征，典型实测孔径约218 μm、孔喉约81 μm，体现出较好的结构保真度（图2）。

在相近孔隙率条件下，G-sheet结构兼具较高比表面积和机械稳定性，其比表面积达到30.2 mm⁻¹，并在较大压缩变形下保持良好的循环稳定性。综合流动阻力和界面约束能力，研究确定200-300 μm为较合适的孔径范围。

• 构筑超疏水界面，实现高效油水分离

在3D打印G-sheet结构表面，研究进一步构筑了PDMS/SiO₂/FDTS复合超疏水界面。优化后水接触角高达157.7°±1.5°，表现出优异的疏水性和较低的水滴黏附特性（图3）。

油水分离实验表明，优化后的G-sheet结构对不同测试油品的分离效率均超过95%。对于低黏度有机溶剂，最高分离通量达到4.15×10⁴ L·m⁻²·h⁻¹；经过10次连续循环后，分离效率仍保持在约95%，显示出较好的稳定性。

• CFD揭示TPMS内部液滴输运行为

CFD结果显示（图4），水滴进入连续曲率TPMS孔道后，会在孔道和孔喉区域经历拦截、滞留、碰撞、聚并和阻滞等过程。研究据此提出“拦截-滞留-碰撞-聚并-阻塞"的定性输运机制，为理解TPMS结构中的油水两相传输行为提供了新的视角。

总结：本研究将参数化结构设计、高精度3D打印、超润湿界面调控和多相流模拟相结合，建立了面向油水分离的“结构-界面-输运"协同设计思路。其中，摩方精密microArch® S240A为复杂TPMS微结构的高精度制造和孔道参数调控提供了重要技术支撑。

研究表明，通过合理设计TPMS拓扑、孔径及表面润湿特性，可以在结构稳定性、流体输运效率和油水分离性能之间实现良好平衡。这一研究不仅为3D打印超润湿油水分离材料提供了新的设计思路，也说明了高精度增材制造与多尺度界面工程相结合在功能多孔材料开发中的潜力。未来，通过进一步优化TPMS结构尺度、增强长期抗污染性能，并结合更复杂的乳化油体系及多尺度数值模型，有望推动参数化3D打印多孔材料向实际油水分离及工业流体净化场景进一步发展。